Physique
Cours, QCM et 1900 exercices corrigés

Ce cours de physique est la référence incontournable de tous les étudiants en sciences de la vie et de la santé (médecine, odontologie, kinésithérapie, pharmacie, médecine vétérinaire, éducation physique...), ainsi qu'en sciences de la Terre.

Il couvre en effet tous les domaines de la physique classique et moderne, et présente ainsi un précieux panorama global de cette discipline, par ailleurs utile à tout étudiant en sciences : lois générales du mouvement, mécanique, thermodynamique, mécanique des fluides, électricité et magnétisme, ondes et vibrations, optique, acoustique, physique atomique et nucléaire. Physique des particules et astrophysique font par ailleurs l'objet de courtes introductions.

Cette troisième édition se caractérise par une actualisation de toutes les données, de nouveaux exercices et une approche pédagogique encore plus étudiée, à travers notamment :

•     des listes de « mots-clefs » et de courtes introductions en début de chaque chapitre,
•     un cours au formalisme mathématique réduit, parfaitement structuré et équilibré entre théorie et applications,
•     des encarts historiques ou « pratiques » qui illustrent le cours,
•     de nombreux exemples d'applications qui permettent de mieux comprendre les notions abordées
•     plus de mille figures en deux couleurs, des tableaux et des photos qui apportent la lumière nécessaire à la compréhension du texte.

À la fin de chaque chapitre, un résumé et un QCM permettent de faire le point sur les notions étudiées et de s'auto-évaluer. Des exercices avec solutions très détaillées montrent la « voie » pour aborder sereinement la résolution de près de 2000 exercices et problèmes corrigés appliqués aux sciences de la vie, de difficulté croissante et regroupés par thèmes. Un index très complet, des rappels mathématiques indispensables et des tableaux de données en physique et chimie complètent l'ouvrage.

Table des matières


Avant-propos de la 3e édition XI

Avant-propos de la 2e édition XIII

Prologue: La physique et l'étudiant en sciences XVII

PARTIE 1
LES LOIS GÉNÉRALES
DU MOUVEMENT


CHAPITRE 1

LE MOUVEMENT RECTILIGNE 3

1.1
Mesures, étalons, unités et erreurs 4

1.2
Le déplacement; la vitesse moyenne 7

1.3
La vitesse instantanée 10

lA L'accélération 12

1.5
Mouvement rectiligne
unifonnément accéléré 12

1.6
Accélération de la pesanteur
et objets en chute libre 15

GALILÉE 16

1.7
Les modèles en physique 18

Pour en savoir plus 19

1.8
Le saut en hauteur 19

Réviser 21

S'entraîner 22

CHAPITRE 2

LE MOUVEMENT
A DEUX DIMENSIONS 31

2.1
Introduction aux vecteurs 32

2.2
La vitesse à deux dimensions 35

2.3
L'accélération à deux dimensions 36

204
Détermination du mouvement
d'un objet 37

2.5
Les projectiles 37

CHAPITRE 3

LES LOIS DE NEWTON 53

3.1
Force, poids et masse gravitationnelle 54

3.2
La masse volumique 55

3.3
La première loi de Newton 55

304
L'équilibre 56

3.5
La troisième loi de Newton 57

3.6
La deuxième loi de Newton 58

3.7
Signification des lois de Newton 59

3.8
Quelques exemples des lois de Newton 59

ISAAC EWTO 60

3.9
Les forces de gravitation 64

3.10
Le poids 65

3.11
Le poids effectif 66

3.12
Le frottement 66

Réviser 71

S'entraîner 73

CHAPITRE 4

LA STATIQUE 83

4.1
Les moments de forces 85

4.2
Le centre de gravité 91

4.3
Équilibre et stabilité 93

404
Les leviers, avantage mécanique 94

4.5
Les muscles 95

4.6
Les leviers du corps 95

4.7
Les mâchoires des animaux 97

4.8
Le centre de gravité des personnes 98

4.9
Systèmes de poulies 100

Réviser 102

S'entraîner 104

CHAPITRE 5

LE MOUVEMENT CIRCULAIRE 115

5.1
L'accélération centripète 116

5.2
Exemples de mouvement circulaire 119

5.3
Variables angulaires 121

504
Moment des forces, accélération angulaire
et moment d'inertie 124

Pour en savoir plus 128

2.6
Sauts horizontaux 41 5.5 Charges électriques; forces fondamentales 128

Réviser 43 5.6 La loi de Coulomb 130

S'entraîner 45 CHARLES AUGUSTI DE CO LOMB 131

PARTIE 8
30.4 Les dimensions nucléaires 782

30.5
Protons et neutrons 783 30.6 Masses nucléaires et énergies de liaison 784

ATOMES ET MOLÉCULES

30.7
Les forces nucléaires 785

CHAPITRE 28

30.8
Niveaux d'énergie nucléaire

MÉCANIQUE QUANTIQUE et stabilité nucléaire 786

ET STRUCTURE ATOMIQUE 725 30.9 Les désintégrations radioactives 788

28.1
Aperçu de mécanique quantique 727 E RICOf RMI 790

28.2
Les nombres quantiques Pour en savoir plus 792

de l'atome d'hydrogène 727 30.10 La fission nucléaire 792

28.3
Les fonctions d'onde 30.11 Réacteurs et bombes à fission 794

de l'atome d'hydrogène 731 30.12 La fusion nucléaire 795

28.4
Le principe d'exclusion de Pauli 732 30.13 Les quarks 796

28.5
Structure atomique
Réviser 799
et tableau périodique 732


S'entraîner 800

28.6
Émission atomique
et spectres d'absorption 736

CHAPITRE 31

Pour en savoir plus 736

RADIATIONS IONISANTES 807

28.7 Masers et lasers 736
Réviser 740 31.1 L'interaction des rayonnements
S'entraîner 741 avec la matière 808

31.2
Unités de dose de rayonnement 811

31.3
Effets nocifs des radiations 814

CHAPITRE 29

31.4
Exposition chronique aux radiations 815

LA STRUCTURE DE LA MATI~RE 745

31.5
Radiations en médecine 817

29.1
La liaison ionique 746 31.6 Autres applications des radiations 821

29.2
La liaison covalente 747 Pour en savoir plus 821

UNU CARL PA LING 749 31.7 Détection et mesure des radiations 821

29.3
La liaison métallique 751 31.8 Établissement de la formule 29.4 Isolants et semi-conducteurs 753 du taux de perte d'énergie 826

29.5
Les liaisons faibles 754 Réviser 827

Pour en savoir plus 756 S'entraîner 828

29.6
La résonance magnétique nucléaire 756

Épilogue: La physique et le futur 833

29.7
Le comportement d'un dipôle magnétique
dans un champ magnétique 756 Annexe A. Tableau périodique des éléments 835

29.8
Mesure de la fréquence de précession 759

Annexe B. Rappels mathématiques 837

29.9
L'appareillage RMN 759

B.I
Puissances et racines 838

29.10
Le déplacement chimique 760

B.2
La notation scientifique 838

29.11
Le couplage spin-spin 762

B.3
Chiffres significatifs 838

Réviser 765

B.4
Résolution des équations algébriques 839

S'entraîner 766
B.5 Graphes 841
B.6
Géométrie planes
et fonctions trigonométriques 842

B.7
Développement en série 845

B.8
Dérivées 845

B.9
Primitives 846

PARTIE 9
B.1O Aires et volumes 846

LE NOYAU ATOMIQUE B.II Fonction exponentielle, logarithmes 846

CHAPITRE 30

Réponses 851

PHYSIQUE NUCLÉAIRE 775

Tableaux 870

30.1
La radioactivité 777

Notations 872

30.2
La demi-vie 777

30.3
Datation en archéologie et en géologie 780 Index 875



HENRY CAVENDISH 131 CHAPITRE 8
5.7 Satel1ites et marées 132 PROPRIÉTÉS ÉLASTIQUES
5.8 Effets physiologiques de l'accélération 134 DES MATÉRIAUX 217
5.9 Perception sensoriel1e
8.1 Les solides 218
du mouvement angulaire 136
8.2 Considérations générales 5.10 Système de référence en rotation sur les efforts et les déformations 218
et force de Coriolis 137

8.3 Le module de Young 220
Réviser 140

8.4 Résistance à la flexion 221
S'entraîner 142

8.5 Résistance au flambage; éléments structurels dans la nature 225
8.6 Cisaillement et torsion 226
8.7 Structure et fonction 229
8.8 Obtention de la relation lcr =cr231
PARTIE 2 2J3
Réviser 232



COMPLÉMENTS DE MÉCANIQUE
S'entraîner 233

CHAPITRE 6 TRAVAIL, ÉNERGIE ET PUISSANCE 151 CHAPITRE 9
6.1 Le travail 153
LE MOUVEMENT VIBRATOIRE 239


6.2 L'énergie cinétique 155
9.1 Le mouvement harmonique simple:


6.3 Énergie potentiel1e et f6rces conservatives 156 cas du système masse-ressort 241

6.4 Les forces dissipatives 159
9.2 Le pendule composé 244


6.5 Principe de conservation 160
9.3 L'énergie dans le mouvement


6.6 Résolution de problèmes
harmonique simple 246à partir des notions de travail et d'énergie 160

9.4 Oscillations amorties 248


6.7 Énergie potentielle gravitationnel1e 164
9.5 Oscil1ations forcées et résonance 249


6.8 La puissance 166
Pour en savoir plus 252


6.9 Travail et énergie
9.6 Application en biologie dans un mouvement de rotation 167

des oscil1ations amorties 252

Pour en savoir plus 168
9.7 Les effets des vibrations

6.10 Les sauts; les lois d'échel1e
sur les personnes 253

en physiologie 168

9.8 Combinaison

6.11 La course à pied 170
de mouvements harmoniques 254 Réviser 172
Réviser 256 S'entraîner 175
S'entraîner 258

CHAPITRE 7
QUANTITÉ DE MOUVEMENT PARTIE 3
ET MOMENT CINÉTIQUE 185 CHALEUR
7.1 Impulsion et quantité de mouvement 186
7.2 Conservation de la quantité
CHAPITRE 10

de mouvement 187
TEMPÉRATURE,

7.3 Mouvement du centre de masse 190
COMPORTEMENT DES GAZ 267

7.4 Col1isions élastiques et inélastiques 191
7.5 Moment cinétique d'un corps solide 194 10.1 Échel1es de température 268
7.6 Moment cinétique d'une particule 197 10.2 Masses moléculaires 268 Pour en savoir plus 198 10.3 Pression 269
7.7 La quantité de mouvement 10.4 L'équation d'état des gaz parfaits 270 dans les exercices sportifs 198 10.5 Mélanges de gaz 272
7.8 La toupie 200 10.6 Température et énergies moléculaires 273
7.9 Le gyroscope 201 10.7 Diffusion 275
7.10 Précession des équinoxes 202 10.8 Solutions diluées; pression osmotique 277 Réviser 204 Réviser 280 S'entraîner 206 S'entraîner 282
CHAPITRE 11 13.7 Conséquences dynamiques du théorème de Bernoulli 352


THERMODYNAMIQUE 287
13.8 Les débitmètres 353

11.1 Travail mécanique 289 13.9 Le vol des animaux et des avions 356
11.2 Le premier principe
Réviser 360

de la thermodynamique 290
S'entraîner 361

lU Le second principe
de la thermodynamique 292

CHAPITRE 14

LI S ROBERT MAYER 293



ÉCOULEMENT

HERM VO H LMOTZ 293

DES FLUIDES VISQUEUX 367

JAM PRESCOTT JO LE 293
11.4 Le théorème de Carnot 14.1 Viscosité et la conversion de l'énergie 296 dans le cas d'un écoulement laminaire 368
11.5 Conséquences du théorème de Carnot 299 14.2 Écoulement laminaire dans un tube;
11.6 Réfrigérateurs et pompes à chaleur 300 loi de Poiseuille 369
14.3 Écoulement turbulent 371

Pour en savoir plus 301
14.4 L'écoulement du sang

11.7 Métabolisme humain 301 dans le système circulatoire 373
Réviser 305
Pour en savoir plus 376

S'entraîner 306

14.5 Forces de résistance visqueuse 376
14.6 Résistance des fluides à «haute vitesse» 378

CHAPITRE 12

14.7 Centrifugation 379



PROPRIÉTÉS THERMIQUES
Réviser 381


DE LA MATIÈRE -313
S'entraîner 383

12.1 La dilatation thermique 314
12.2 Chaleur spécifique 317 CHAPITRE 15
12.3 Changements de phase 320
FORCES DE COHÉSION


12.4 La conduction de la chaleur 322 DANS LES LIQUIDES 389
12.5 Transfert de chaleur par convection 323
15.1 Tension superficielle 390


12.6 Le rayonnement 325
15.2 Angles de contact et capillarité 391

Pour en savoir plus 329
15.3 Loi de Laplace 392

12.7 La régulation de température

15.4 Les molécules tensio-actives 394chez les animaux à sang chaud 329


15.5 Le cœur en tant que pompe 395

Réviser 332

15.6 L'ascension de la sève dans les arbres;

S'entraîner 333
pressions négatives 395 Réviser 397 S'entraîner 398
PARTIE 4
LES FLUIDES

PARTIE 5 ÉLECTRICITÉ

CHAPITRE 13 LA MÉCANIQUE DES FLUIDES ET MAG ÉTISME NON VISQUEUX 343
13.1 Le principe d'Archimède 345
CHAPITRE 16

13.2 L'équation de continuité




FORCES ÉLECTRIQUES,

l'écoulement laminaire 345

CHAMPS ET POTENTIELS 405

AR HlMÈD 346
16.1 Forces électriques 406

13.3 Le théorème de Bernoulli 348
16.2 Le champ électrique 406

13.4 Conséquences statiques
du théorème de Bernoulli 349 16.3 Le champ électrique

dû à des distributions de charges 409

13.5 Le rôle de la gravitation dans la circulation sanguine 350 16.4 Le potentiel électrique 412
13.6 Mesure de la tension artérielle 16.5 Surfaces équipotentielles 415 au sphygmomanomètre' 352 16.6 Dipôles électriques 416
16.7
16.8
16.9
16.10
Capacité
Effets des diélectriques Énergie emmagasinée dans un condensateur L'oscilloscope

Réviser
S'entraîner
CHAPITRE 17 COURANTS CONTINUS
17.1
17.2
17.3
17.4
17.5
17.6
17.7
17.8
17.9
Courant électrique La résistance Théorie atomique de la résistance Sources d'énergie dans les circuits électriques La puissance des circuits électriques Résistances en série et en parallèle;
les règles de Kirchhoff
Les règles de Kirchhoff dans des circuits complexes Voltmètres et ampèremètres Circuits contenant une résistance
et un condensateur

Pour en savoir pluS
17.10 Sécurité électrique
17.11 Applications des mesures de résistance
17.12 Électrophorèse

Réviser
S'entraîner
CHAPITRE 18 CONDUCTION NERVEUSE
18.1
18.2
18.3
18.4
18.5
18.6
La structure des cellules nerveuses Propriétés électriques statiques Concentrations ioniques
et potentiel de repos La réponse à des stimuli faibles Le potentiel d'action
Électroencéphalographe et électrocardiographe

Réviser
S'entraîner

CHAPITRE 19 LE MAGNÉTISME
19.1
19.2
19.3
19.4
19.5
19.6
19.7
Le champ magnétique
La force magnétique sur une charge en mouvement Débitmètres électromagnétiques La force magnétique
sur un fil parcouru par un courant Dipôles magnétiques Moteurs et galvanomètres Champs magnétiques produits par des courants

418 419
420 421 423 424
431
432 433 434
436 439
440
442 443
444 447 447 450 450 452 454
461
462 462
464 468 470
473 475 476
481
482
484 486
487 488 490
491
19.8 La force entre deux fils parallèles
parcourus par un courant 493 Pour en savoir plus 493
19.9 La mesure du rapport de la charge à la masse 493
19.10 Spectromètres de masse 494
19.11 Cyclotrons 496 Réviser 497 S'entraîner 499
CHAPITRE 20 COURANTS ET CHAMPS INDUITS 507
20.1 La loi de Faraday 508
20.2 Courants de Foucault 510
20.3 Générateurs électriques 511
20.4 Transformateurs 512
20.5 Les substances magnétiques 513 MICHAEL FARADAY 514
20.6 Self-induction (ou auto-induction) 515
20.7 Énergie accumulée dans une self 516
20.8 Circuits RL 516
20.9 Valeurs efficaces des tensions et des courants alternatifs 517
20.10 Réactance 519
20.11 Impédance 522
20.12 Puissance en courant alternatif 524 Pour en savoir plus 525
20.13 Adaptation d'impédance 525
20.14 Champs induits et ondes électromagnétiques 526
Réviser 528 S'entraîner 530
PARTIE 6
LES ONDES

CHAPITRE 21 LES ONDES 539
21.1 Représentation d'un mouvement ondulatoire 540
21.2 La vitesse de propagation des ondes 543
21.3 Interférences 543
21.4 Ondes stationnaires résonnantes 545
21.5 Ondes complexes et battements 548
21.6 Énergie et quantité de mouvement transportées par les ondes 549
21.7 La polarisation des ondes transversales 550
21.8 L'effet Doppler 551

Pour en savoir plus 553 24.9 Résolution et contraste des microscopes 650
21.9 Débitmètre Doppler 553 24.10 Microscopes polarisants,
21.10 Déplacement Doppler pour la lumière 553 à interférence et à contraste de phase 651
24.11 Les défauts optiques de l' œil 653

Réviser 554

24.12 La perception des couleurs 656

S'entraîner 556 Réviser 659
S'entraîner 661

CHAPITRE 22
LES ONDES SONORES 563
22.1 La nature physique
et la vitesse de propagation du son 564

22.2 Ondes sonores stationnaires 566
22.3 L'intensité des ondes sonores 567
22.4 Les sources sonores 568
22.5 Les détecteurs sonores 572
PARTIE 7

22.6 La réponse auditive 574





PHYSIQUE MODERNE
22.7 Les ultrasons 576 Réviser 582 S'entraîner 583 CHAPITRE 25 LA RELATIVITÉ RESTREINTE 669 CHAPITRE 23
25.1 Les principes fondamentaux PROPRIÉTÉS ONDULATOIRES de la relativité restreinte 671 DE LA LUMIÈRE 589
25.2 Horloges en mouvement et dilatation du temps 671
23.1 L'indice de réfraction 591

25.3 Contraction des longueurs 673
23.2 Le principe de Huygens 591

25.4 Quantité de mouvement et énergie 674
23.3 La réflexion 593 ALBERT El TElN 675
23.4 La réfraction 595
23.5 La réflexion totale 597 Pour en savoir plus 677
23.6 Expérience des fentes de Young 598 25.5 Le problème des événements simultanés 677

25.6 L'addition des vitesses 680
THOMAS YOUNG 602
23.7 La cohérence 603 Réviser 682
23.8 Le réseau de diffraction 604 S'entraîner 683
23.9 Le phénomène de diffraction 607
23.10 La polarisation de la lumière 611
CHAPITRE 26
23.11 Diffraction des rayons X et structure des molécules biologiques 614 PROPRIÉTÉS CORPUSCULAIRES DE LA LUMIÈRE: LE PHOTON 689
Pour en savoir plus 617
23.12 L'holographie 617 26.1 L'effet photo-électrique 690
23.13 Les effets d'interférence 26.2 Le photon 692 dans les films minces 621
26.3 Dualité onde-corpuscule 694 Réviser 624
26.4 Photons et vision 694 S'entraîner 625
Réviser 696 S'entraîner 697
CHAPITRE 24 MIROIRS, LENTILLES CHAPITRE 27
ET INSTRUMENTS D'OPTIQUE 633 PROPRIÉTÉS ONDULATOIRES
24.1 Les miroirs 634
DE LA MATIÈRE 701
24.2 Les lentilles 634
27.1 Les échecs de la physique classique 703
24.3 La formation de l'image 637
27.2 L'hypothèse ondulatoire de de Broglie 705
24.4 La puissance des lentilles; les aberrations 641
27.3 L'atome de Bohr 708
24.5 La loupe 642
24.6 Le microscope optique 643 fELS HENRICK DAVID BOHR 710


24.7 L'œil 645 27.4 Le principe d'incertitude 713 Pour en savoir plus 648 Réviser 716
24.8 L'appareil photographique 648 S'entraîner 717